JP2018031754A

JP2018031754A - 三次元測定装置及び座標補正方法

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Publication number: JP2018031754A
Application number: JP2016166343A
Authority: JP
Inventors: 中川　英幸; Hideyuki Nakagawa; 英幸中川; 修弘石川; Sanehiro Ishikawa
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01
Also published as: EP3287739B1; US20180058832A1; CN107782274B; EP3287739A1; CN107782274A; US10429166B2

Abstract

【課題】測定プローブから出力されるプローブ出力の非線形誤差が補正可能となるので、高精度に被測定物の形状座標を求めることを可能とする。
【解決手段】処理装置４００は、制限手段２４０により測定子３０６を制限した状態において、駆動機構２２０により測定プローブ３００を移動させた際に、測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得する座標取得部４０６と、座標取得部４０６の出力に基づいて、測定プローブ３００の移動量Ｍに対するプローブ出力Ｐの線形座標成分及び非線形座標成分を補正する線形補正要素及び非線形補正要素で構成される補正行列ＡＡを生成する行列生成部４０８と、補正行列ＡＡを用いてプローブ出力Ｐを補正するプローブ出力補正部４１０と、を有し、座標取得部４０６は、線形補正要素の数と非線形補正要素の数の合計数以上の測定点で測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得する。
【選択図】図２

Description

本発明は、三次元測定装置及び座標補正方法に係り、特に、測定プローブから出力されるプローブ出力の非線形誤差が補正可能となるので、高精度に被測定物の形状座標を求めることを可能とする三次元測定装置及びプローブ座標系の座標補正方法に関する。

従来、被測定物に接触する測定子を有するスタイラスを移動可能に支持し、該測定子の変位に従うプローブ出力を行う測定プローブと、該測定プローブを保持し移動させる駆動機構と、該プローブ出力と該駆動機構による該測定プローブの移動量とから前記被測定物の形状座標を演算する処理装置と、を備える三次元測定装置が知られている。この処理装置では、駆動機構による三次元測定装置の座標系である装置座標系の測定プローブの移動量｛ｘ_m，ｙ_m，ｚ_m｝^T（単にＭとも称する）と、測定プローブの座標系であるプローブ座標系のプローブ出力｛ｘ_p，ｙ_p，ｚ_p｝^T（単にＰとも称する）を加算することで、式（１）に示す形状座標｛ｘ，ｙ，ｚ｝^T（単にＸとも称する）を演算することができる。

ここで、特許文献１では、装置座標系とプローブ座標系との不一致で生じる誤差を低減するために、測定子の並進変位を制限した状態で駆動機構により測定プローブを駆動し、このときの複数の測定点における測定プローブの移動量Ｍとプローブ出力Ｐとから補正行列Ａを求める手法が提案されている。求められた補正行列Ａにより、式（２）に示すようにして、プローブ出力Ｐから装置座標系の変換出力｛ｘ_{p_m}，ｙ_{p_m}，ｚ_{p_m}｝^T（単にＰＭとも称する）に変換することができる。そして、式（３）に示す如く、測定プローブの移動量Ｍにその変換出力ＰＭを加算することで、形状座標Ｘを演算することができる。

なお、符号Ａ₁₁〜Ａ₃₃は、補正行列Ａを構成する補正要素であり、プローブ出力Ｐの各座標成分を補正する。

特許５２９７７８７号公報

しかしながら、特許文献１では、プローブ出力Ｐの１次の座標成分（線形座標成分と称する）のみを、補正行列Ａの補正要素Ａ₁₁〜Ａ₃₃でそれぞれ補正可能としている。ここで、例えば、測定プローブにおいてスタイラスを移動可能に支持する部材のいわゆるばね構造（ばね本体とそのガイドを含む）やスタイラスの変位を検出するプローブセンサは３方向それぞれで、すべて線形な応答をするとは限らない場合がある。例えば、ばね定数が非線形な場合には、ばね定数が非線形な方向に測定子と駆動機構間の距離が変化すると、その方向の測定子の変位が非線形となるおそれがある。また、例えば、ばね構造の非線形な応答が原因で、一定方向の測定力が測定子に加わった際に測定子が円弧運動をして変位するおそれもある。更に、例えば、プローブセンサの非線形な応答が原因で、プローブ出力に非線形誤差が含まれるおそれもある。つまり、装置座標系とプローブ座標系との不一致で生じる誤差は解消されても、上述したばね構造やプローブセンサにおいて非線形な応答がなされた際には、測定プローブから出力されるプローブ出力の非線形誤差が解消されないおそれがあった。

本発明は、前記の問題点を解決するべくなされたもので、測定プローブから出力されるプローブ出力の非線形誤差が補正可能となるので、高精度に被測定物の形状座標を求めることが可能な三次元測定装置及び座標補正方法を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、被測定物に接触する測定子を有するスタイラスを移動可能に支持し、該測定子の変位に従うプローブ出力を行う測定プローブと、該測定プローブを前記被測定物に対して相対的に移動させる駆動機構と、該プローブ出力と該駆動機構による該測定プローブの移動量とから前記被測定物の形状座標を演算する処理装置と、を備える三次元測定装置において、前記測定子の並進変位を制限する制限手段を備え、前記処理装置が、前記制限手段により該測定子を制限した状態において、前記駆動機構により前記測定プローブを移動させた際に、前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力をそれぞれ取得する座標取得部と、該座標取得部の出力に基づいて、前記測定プローブの移動量に対する前記プローブ出力の線形座標成分及び非線形座標成分を補正する線形補正要素及び非線形補正要素で構成される補正行列を生成する行列生成部と、該補正行列を用いて前記プローブ出力を補正するプローブ出力補正部と、を有し、前記座標取得部が、前記線形補正要素の数と前記非線形補正要素の数の合計数以上の測定点で前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力をそれぞれ取得したことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記座標取得部が、前記プローブ出力が０となる基準位置で前記制限手段により前記測定子を制限した状態において、前記測定点における前記基準位置からの前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力とをそれぞれ取得するようにしたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記制限手段を、更に、前記測定子の中心を回転中心とする回転変位を制限しない構成としたものである。

本願の請求項４に係る発明は、前記制限手段に、前記測定子に内接する正四面体の４つの頂点の位置で該測定子に接触する接触部を備えるようにしたものである。

本願の請求項５に係る発明は、前記制限手段が、前記測定子を挟んで対向して配設され該測定子を押圧する２つの押圧部材を備え、該２つの押圧部材の測定子側にはそれぞれ、前記２つの押圧部材の対向する方向と直交する方向に軸を有する平行な２つの柱状部が設けられ、一方の前記押圧部材における前記柱状部と他方の前記押圧部材における前記柱状部の軸の方向は互いに直交するように設けられ、該柱状部それぞれに、前記接触部を設けたものである。

本願の請求項６に係る発明は、前記柱状部を、円柱状に形成し、軸回りに回転可能としたものである。

本願の請求項７に係る発明は、前記測定子の中心に向かって該測定子を押圧する４つの押圧部材を備え、該押圧部材がそれぞれ、前記接触部を備える球形状の当接部材と、該当接部材を回転可能に支持する支持部材と、を備えるようにしたものである。

本願の請求項８に係る発明は、被測定物に接触する測定子を有するスタイラスを移動可能に支持し、該測定子の変位に従うプローブ出力を行う測定プローブと、該測定プローブを前記被測定物に対して相対的に移動させる駆動機構と、該プローブ出力と該駆動機構による該測定プローブの移動量とから前記被測定物の形状座標を演算する処理装置と、を備える三次元測定装置の座標補正方法において、前記測定子の並進変位を制限する工程と、前記駆動機構により前記測定プローブを移動させた際に、前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力をそれぞれ取得する工程と、前記測定プローブの移動量に対する前記プローブ出力の線形座標成分及び非線形座標成分を補正する線形補正要素及び非線形補正要素で構成される補正行列を、前記線形補正要素の数と前記非線形補正要素の数の合計数以上取得した前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力を用いて生成する工程と、該補正行列を用いて前記プローブ出力を補正する工程と、を含むようにしたものである。

本発明によれば、測定プローブから出力されるプローブ出力の非線形誤差が補正可能となるので、高精度に被測定物の形状座標を求めることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る三次元測定装置の一例を示す模式図図１の三次元測定装置のブロック図図１の三次元測定装置の測定子の並進変位を制限する制限手段を示す図（斜視図（Ａ）、測定子が制限手段と接触する位置を示す図（Ｂ））図１の三次元測定装置の測定プローブを示す斜視図図１の三次元測定装置において座標補正を行う手順を示すフロー図本発明に係る制限手段を示す図（第２実施形態の図（Ａ）、第３実施形態の図（Ｂ））本発明に係る制限手段を示す図（第４実施形態の図（Ａ）、第５実施形態の図（Ｂ））図７（Ａ）の制限手段を用いて座標補正を行う手順を示すフロー図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態に係る三次元測定装置について図１〜図５を参照して説明する。

最初に、三次元測定装置１００の全体構成を説明する。

三次元測定装置１００は、図１に示す如く、測定プローブ３００を移動させる三次元測定装置本体２００と、手動操作するジョイスティック１１１を有する操作手段１１０と、処理装置４００と、を備える。

前記三次元測定装置本体２００は、図１に示す如く、定盤２１０と、駆動機構２２０と、制限手段２４０（図３）と、測定プローブ３００と、を備えている。駆動機構２２０は、図１に示す如く、定盤２１０に立設されて測定プローブ３００を保持し三次元的に移動させる。なお、これに限らず、測定プローブが固定され、駆動機構が被測定物Ｗの下にくる定盤自体あるいは定盤上であって被測定物Ｗの下にくる部材を移動させることで、被測定物Ｗを三次元的に移動させてもよい。あるいは、駆動機構が測定プローブと被測定物Ｗとを三次元的に移動させてもよい。即ち、駆動機構は測定プローブを被測定物Ｗに対して相対的に移動させる機構であればよい。

具体的に、駆動機構２２０は、装置座標系のＹｍ方向に移動可能なビーム支持体２２１と、ビーム支持体２２１に橋渡しされたビーム２２２と、ビーム２２２上で装置座標系のＸｍ方向に移動可能なコラム２２３と、コラム２２３内で装置座標系のＺｍ方向に移動可能なスピンドル２２４と、を備えている。図２に示すＸ軸駆動機構２２５、Ｙ軸駆動機構２２６、及びＺ軸駆動機構２２７はそれぞれ、ビーム２２２とコラム２２３との間、定盤２１０とビーム支持体２２１との間、及びコラム２２３とスピンドル２２４との間に設けられている。なお、スピンドル２２４の端部に測定プローブ３００が支持されている。Ｘ軸駆動機構２２５、Ｙ軸駆動機構２２６、Ｚ軸駆動機構２２７にはそれぞれ、図２に示す如く、Ｘ軸スケールセンサ２２８、Ｙ軸スケールセンサ２２９、Ｚ軸スケールセンサ２３０が設けられている。このため、Ｘ軸スケールセンサ２２８、Ｙ軸スケールセンサ２２９、Ｚ軸スケールセンサ２３０の出力から、装置座標系における測定プローブ３００の移動量｛ｘ_m，ｙ_m，ｚ_m｝^T（単にＭとも称する）を求めることができる。

制限手段２４０は、定盤２１０上に配置され、図３（Ａ）に示す如く、測定プローブ３００の測定子３０６の並進変位を制限する部材である。そして、制限手段２４０は、更に、測定子３０６の中心を回転中心とする回転変位を制限しない構成とされている。具体的に、制限手段２４０は、２つの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂと、２つの板状部材２４４Ａ、２４４Ｂと、４つの柱状部２４６Ａ、２４６Ｂと、ベース部材２４８と、を備える。２つの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂは、角柱形状であり、定盤２１０上に配置されるベース部材２４８に設けられた溝にそって黒矢印で示す方向（２つの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂの対向する方向である対向方向Ｈ）に手動あるいは電動でスライド可能に配置されている。即ち、２つの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂは、測定子３０６を挟んで対向して配設され測定子３０６を押圧することができる。

そして、図３（Ａ）に示す如く、２つの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂの互いに対向する側の側面に板状部材２４４Ａ、２４４Ｂがそれぞれ取付けられている。板状部材２４４Ａ、２４４Ｂはそれぞれ、対向方向Ｈと直交する平面を有する矩形板状に成形されており、長手方向（方向Ｉ，Ｊ）が互いに直交するようにされている。そして、板状部材２４４Ａ、２４４Ｂの互いに対向する側の側面に２つの柱状部２４６Ａ、２４６Ｂの側面がそれぞれ突出するように取付けられている。２つの柱状部２４６Ａの軸は方向Ｉに平行に並んでおり、２つの柱状部２４６Ｂの軸は方向Ｊに平行に並んでいる。このとき、方向Ｉ、Ｊは共に対向方向Ｈと直交している。即ち、２つの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂの測定子側にはそれぞれ、対向方向Ｈと直交する方向Ｉ、Ｊに軸を有する平行な２つの柱状部２４６Ａ、２４６Ｂが設けられている構成である。そして、方向Ｉと方向Ｊも互いに直交している。そして、２つの柱状部２４６Ａの側面と２つの柱状部２４６Ｂの側面とが測定子３０６と接触する接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡとして機能し、測定子３０６が柱状部２４６Ａ、２４６Ｂで挟まれる構成となっている。即ち、一方の押圧部材２４２Ａにおける柱状部２４６Ａと他方の押圧部材２４２Ｂにおける柱状部２４６Ｂの軸の方向Ｉ、Ｊは互いに直交するように設けられ、柱状部２４６Ａ、２４６Ｂそれぞれに、接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡが設けられている構成である。これら接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡは４つなので、制限手段２４０は測定子３０６の任意の方向への並進変位を制限（拘束）することができる。そして、更に、接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡは、図３（Ｂ）に示す測定子３０６に内接する正四面体ＲＴの４つの頂点ＰＸの位置で測定子３０６に接触するようにされている。

測定プローブ３００は、いわゆる倣いプローブであり、図４に示す如く、被測定物Ｗに接触する球形状の測定子３０６を有するスタイラス３０４を、プローブ本体３０２で移動可能に支持している。そして、測定プローブ３００は、測定子３０６の変位に従うプローブ出力｛ｘ_p，ｙ_p，ｚ_p｝^T（単にＰとも称する）を行う。ここで、スタイラス３０４は、プローブ本体３０２において、例えば非線形な応答をするばね構造で支持されている。そして、測定プローブ３００におけるスタイラス３０４の変位をプローブセンサ３１０で検出する。プローブセンサ３１０は、図２に示す如く、プローブ座標系のＸｐ方向への測定子３０６の変位を検出するＸ軸プローブセンサ３１２と、プローブ座標系のＹｐ方向への測定子３０６の変位を検出するＹ軸プローブセンサ３１４と、プローブ座標系のＺｐ方向への測定子３０６の変位を検出するＺ軸プローブセンサ３１６と、を備える。このため、Ｘ軸プローブセンサ３１２、Ｙ軸プローブセンサ３１４、Ｚ軸プローブセンサ３１６の出力から、プローブ座標系における測定子３０６の座標であるプローブ出力Ｐを求めることができる。なお、Ｘ軸プローブセンサ３１２、Ｙ軸プローブセンサ３１４、Ｚ軸プローブセンサ３１６が直接的にプローブ出力Ｐを示さなくてもよい。

前記操作手段１１０は、図２に示す如く、処理装置４００の指令部４０２に接続されている。操作手段１１０からは、三次元測定装置本体２００及び処理装置４００へ各種の指令を入力可能となっている。

前記処理装置４００は、図１に示す如く、モーションコントローラ５００とホストコンピュータ６００とを備え、プローブ出力Ｐと駆動機構２２０による測定プローブ３００の移動量Ｍとから被測定物Ｗの形状座標Ｘを演算する。モーションコントローラ５００は主に測定プローブ３００の移動及び測定の制御を行い、ホストコンピュータ６００は主に三次元測定装置本体２００で得られた測定結果を処理するようにされている。本実施形態では、処理装置４００として、モーションコントローラ５００とホストコンピュータ６００の機能を併せて図２のブロック図に示し、以下に説明する。なお、ホストコンピュータ６００は、キーボードなどの入力手段１２０と、ディスプレイやプリンタなどの出力手段１３０と、を備える。

処理装置４００は、図２に示す如く、指令部４０２と、駆動機構制御部４０４と、座標取得部４０６と、行列生成部４０８と、プローブ出力補正部４１０と、形状座標演算部４１２と、記憶部４１４と、を備える。

図２に示す指令部４０２は、操作手段１１０あるいは入力手段１２０で入力された指令に基づき、駆動機構制御部４０４に所定の指令を与える。指令部４０２は、例えば、測定プローブ３００を複数の位置（測定点）へ移動させるための移動方向、移動距離、移動速度などを考慮して、駆動機構２２０に対する制御周期毎の装置座標系の座標値を位置指令として生成する。また、指令部４０２は、例えば、座標取得部４０６に対して駆動機構２２０による測定プローブ３００の移動量Ｍとプローブ出力Ｐの取得タイミングや取得数（測定点の数ｎ）を指令することもできる。

図２に示す駆動機構制御部４０４は、指令部４０２の指令に応じて、駆動制御信号Ｄを出力することで駆動機構２２０のＸ、Ｙ、Ｚ軸駆動機構２２５、２２６、２２７のモータに電流を流して駆動制御することができる。

図２に示す座標取得部４０６は、駆動機構２２０から出力される装置座標系の測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブセンサ３１０から出力されるプローブ座標系のプローブ出力Ｐをそれぞれ取得する。そして、座標取得部４０６は、行列生成部４０８で必要とする形態（データ数とデータ形態）に演算を行い、その結果を行列生成部４０８に出力する（このような演算は、行列生成部４０８で行い、座標取得部４０６は単にプローブ出力Ｐ及び測定プローブ３００の移動量Ｍをそれぞれ取得するだけでもよい）。具体的には、座標取得部４０６は、補正行列ＡＡを求めるのに必要な測定点の数（取得数）ｎの測定プローブ３００の移動量Ｍｎ及びプローブ出力Ｐｎを出力する。その際には、座標取得部４０６は、プローブ出力Ｐにおいては、プローブ出力Ｐの１次の座標成分ｘ_p、ｙ_p、ｚ_pから、２次以上の高次の座標成分ｘ_p ²、ｙ_p ²、ｚ_p ²、・・・及び干渉座標成分ｘ_pｙ_p、ｙ_pｚ_p、ｚ_pｘ_p・・・を演算して求める。なお、行列生成部４０８で補正行列ＡＡを生成しない場合においては、座標取得部４０６は、プローブ出力Ｐ、測定プローブ３００の移動量Ｍをそれぞれ、プローブ出力補正部４１０、形状座標演算部４１２にそのままの形態で出力する。

図２に示す行列生成部４０８は、座標取得部４０６の出力（測定プローブ３００の移動量Ｍｎ、プローブ出力Ｐｎ）に基づいて、補正行列ＡＡを生成する。ここで、例えばプローブ出力Ｐが０となる位置（基準位置Ｐｂ）で測定子３０６の並進変位を制限した状態とする。そして、その後に測定プローブ３００を移動させると、基準位置Ｐｂからの測定プローブ３００の移動量Ｍと補正行列ＡＡによる補正後のプローブ出力（変換出力ＰＭ）は、絶対値が等しく、符号が反転する関係となる。つまり、座標取得部４０６からの出力（測定プローブ３００の移動量Ｍｎ、プローブ出力Ｐｎ）は、式（４）を満足することとなる。

ここで、補正行列ＡＡは、測定プローブ３００の移動量Ｍに対するプローブ出力Ｐの線形座標成分を補正する線形補正要素と、測定プローブ３００の移動量Ｍに対するプローブ出力Ｐの非線形座標成分を補正する非線形補正要素と、で構成されている。なお、線形座標成分は１次の座標成分ｘ_p、ｙ_p、ｚ_pをいい、非線形座標成分は２次以上の高次の座標成分ｘ_p ²、ｙ_p ²、ｚ_p ²、・・・及び干渉座標成分ｘ_pｙ_p、ｙ_pｚ_p、ｚ_pｘ_p、・・・をいう。そして、線形補正要素は線形座標成分ｘ_p、ｙ_p、ｚ_pにそれぞれ乗算される要素Ａ₁₁、Ａ₁₂、Ａ₁₃、Ａ₂₁、Ａ₂₂、Ａ₂₃、Ａ₃₁、Ａ₃₂、Ａ₃₃をいい、非線形補正要素は非線形座標成分ｘ_p ²、ｙ_p ²、ｚ_p ²、・・・、ｘ_pｙ_p、ｙ_pｚ_p、ｚ_pｘ_p、・・・に乗算されるそれ以外の要素Ａ₁₄、Ａ₁₅、・・・、Ａ₂₄、Ａ₂₅、・・・、Ａ₃₄、Ａ₃₅、・・・をいう。

つまり、行列生成部４０８は、式（４）から例えば最小二乗法を用いることにより、式（６）に示す如く、補正行列ＡＡを求めることができる。

なお、測定点の数ｎは、線形補正要素の数と非線形補正要素の数の合計数以上とされている。つまり、座標取得部４０６は、線形補正要素の数と非線形補正要素の数の合計数以上の測定点で測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得していることとなる。

図２に示すプローブ出力補正部４１０は、行列生成部４０８から出力される補正行列ＡＡを用いて座標取得部４０６で取得したプローブ出力Ｐを補正する。つまり、プローブ出力補正部４１０は、式（７）に示す如く、補正行列ＡＡによってプローブ出力Ｐを補正することで、装置座標系の変換出力｛ｘ_{p_m}，ｙ_{p_m}，ｚ_{p_m}｝^T（単にＰＭとも称する）を求める。

図２に示す形状座標演算部４１２は、式（９）に示す如く、プローブ出力補正部４１０から出力される変換出力ＰＭを、座標取得部４０６で取得した測定プローブ３００の移動量Ｍに加算することで、被測定物Ｗの形状座標Ｘを演算する。

図２に示す記憶部４１４は、各種制御用初期値、各種処理用初期値、プログラムなどを記憶している。また、記憶部４１４は、行列生成部４０８で生成された補正行列ＡＡも記憶している。

次に、本実施形態に係る座標補正の手順について、主に図５を用いて、以下に説明する。

まず、制限手段２４０を定盤２１０の測定空間中の所定の位置に固定する。そして、制限手段２４０の柱状部２４６Ａと柱状部２４６Ｂとの間に、駆動機構２２０で測定子３０６を移動させる。そして、柱状部２４６Ａと柱状部２４６Ｂとで測定子３０６を挟み込み、測定子３０６の並進変位を制限する（図５ステップＳ２）。このとき、制限手段２４０は、測定子３０６の中心を回転中心とする回転変位を制限しない押圧力で測定子３０６に当接して挟み込む。なお、この押圧力は、押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂに図示せぬ圧力センサなどを組み込むことで、安定的に制御することができる。

次に、この制限状態（制限手段２４０で測定子３０６の並進変位を制限した状態）のまま、プローブ出力Ｐが０となる位置に、駆動機構２２０を駆動させて測定プローブ３００を移動させる。そして、プローブ出力Ｐが０となる位置を基準位置Ｐｂとして設定する（つまり、基準位置Ｐｂへ測定プローブ３００を移動させていることとなる）（図５ステップＳ４）。

次に、この制限状態のまま、駆動機構制御部４０４の駆動制御信号Ｄに従い、駆動機構２２０により測定プローブ３００を測定空間内における複数の位置（測定点の数ｎと同一）に移動させる。その複数の位置に移動させた際に、座標取得部４０６は、基準位置Ｐｂからの測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得する（図５ステップＳ６）。言い換えれば、座標取得部４０６は、プローブ出力Ｐが０となる基準位置Ｐｂで制限手段２４０により測定子３０６を制限した状態において、測定点における基準位置Ｐｂからの測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐとをそれぞれ取得している。なお、このときの測定点の数ｎは、補正行列ＡＡの線形補正要素の数と非線形補正要素の数の合計数以上となる。また、測定点は、被測定物Ｗを測定する際に、測定子３０６が接触して変位する可能性のある方向を網羅するように適宜定めている。

次に、行列生成部４０８で、補正行列ＡＡを、数ｎの測定点に対する測定プローブ３００の移動量Ｍｎ及びプローブ出力Ｐｎを用いて生成する（図５ステップＳ８）。

次に、プローブ出力補正部４１０で、補正行列ＡＡを用いて、プローブ出力Ｐを補正し、変換出力ＰＭを得る（図５ステップＳ１０）。そして、形状座標演算部４１２で、測定プローブ３００の移動量Ｍと変換出力ＰＭとを合成することで、形状座標Ｘを演算する。

このように、本実施形態では、制限手段２４０により測定子３０６の並進変位を制限した状態において、駆動機構２２０により測定プローブ３００を移動させた際に、測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得している。このため、測定プローブ３００の移動量Ｍとプローブ出力Ｐとの対応関係が明確であり、複雑な演算を行うことなく補正行列ＡＡを生成することができる。

なお、測定子３０６の並進変位を制限する位置が決まっていないと、制限する度に、測定プローブ３００を移動させるプログラムにおける測定プローブ３００の移動量Ｍとその方向を変更しなければならない。また、基準位置Ｐｂ以外で測定子３０６を制限すると、測定プローブ３００を測定点まで移動させる時間が長くなる。これに対して、本実施形態では、プローブ出力Ｐが０となる基準位置Ｐｂで制限手段２４０により測定子３０６の並進変位を制限した状態とする。このため、測定プローブ３００の移動量Ｍに対するプローブ出力Ｐは明確であり、測定手順の単純化と測定時間の短縮が可能となり、更により単純な演算で補正行列ＡＡを生成することができる。

また、本実施形態では、補正行列ＡＡが測定プローブ３００の移動量Ｍに対するプローブ出力Ｐの線形座標成分及び非線形座標成分を補正する線形補正要素及び非線形補正要素で構成されている。このため、測定プローブ３００においてスタイラス３０４を移動可能に支持する部材のいわゆるばね構造やスタイラス３０４の変位を検出するプローブセンサ３１０において非線形な応答がなされた場合であっても、そのプローブ出力Ｐを補正することが可能である。このとき、従来技術の補正内容も同時に行うので、結果的に、補正精度を従来よりも向上させることが可能である。なお、非線形補正要素の数は、多いほどその補正効果は増大する。このため、補正にかける演算時間及び構成を考慮すれば、例えば非線形座標成分として３次あるいは４次程度までを補正することで顕著な効果を期待することができる。

また、本実施形態では、制限手段２４０が、測定子３０６の並進変位を制限したうえで、更に、測定子３０６の中心を回転中心とする回転変位を制限しない構成とされている。即ち、測定プローブ３００を移動させても測定子３０６の回転変位が制限されないので、制限手段２４０により測定子３０６の並進変位を制限した状態で測定プローブ３００を測定点へ移動させた時に、一般的な被測定物Ｗを測定する時に発生する測定プローブ３００の運動（測定子３０６の並進変位と回転変位）を再現でき、高精度に補正行列ＡＡを求めることができる。なお、これに限らず、回転変位がある程度制限されるような構成であってもよい。その場合であっても、結果的に相応の精度で補正行列ＡＡを求めることができる。

また、本実施形態では、制限手段２４０が、測定子３０６に内接する正四面体ＲＴの４つの頂点ＰＸの位置で測定子３０６に接触する接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡを備える。即ち、制限手段２４０は、測定子３０６の任意の方向への並進変位を制限するための最低限の接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡの数（４つ）としながら、且つその接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡの位置を空間的に均等な間隔としている。このため、測定子３０６にかかる力を空間的に均等に分散でき、測定子３０６と接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡとの４つの接触点の一部だけに過大な力がかかることを防止することが可能である。なお、これに限らず、正四面体ＲＴの各頂点ＰＸの位置に接触部がこなくてもよいし、接触部が５つ以上であってもよい。

また、本実施形態では、制限手段２４０が、測定子３０６を挟んで対向して配設され測定子３０６を押圧する２つの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂを備えている。そして、２つの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂの測定子側にはそれぞれ、方向Ｉ、Ｊに軸を有する平行な２つの柱状部２４６Ａ、２４６Ｂが設けられている。そして、方向Ｉと方向Ｊとは互いに直交するように設けられ、柱状部２４６Ａ、２４６Ｂそれぞれに、接触部２４６ＡＡ、２４６ＢＡが設けられている。つまり、制限手段２４０は簡素な構成であり、互いの押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂの距離を調整することで、容易に測定子３０６の並進変位を制限しながら、回転変位を制限しないようにすることができる。

即ち、本実施形態では、測定プローブ３００から出力されるプローブ出力Ｐの非線形誤差が補正可能となるので、高精度に被測定物Ｗの形状座標Ｘを求めることが可能である。

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

例えば、第１実施形態では、制限手段２４０が、柱状部２４６Ａ、２４６Ｂが固定的に押圧部材２４２Ａ、２４２Ｂに支持されている構成であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６（Ａ）に示す第２実施形態の如くであってもよい。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、図６（Ａ）に示す如く、柱状部２５６Ａ、２５６Ｂが円柱状に形成され、軸回りに回転可能且つ軸の方向に若干移動可能にされている。なお、この場合でも、接触部２５６ＡＡ、２５６ＢＡはそれぞれ、柱状部２５６Ａ、２５６Ｂの側面とされている。

このようにして、本実施形態は、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。更に、柱状部２５６Ａ、２５６Ｂはそれぞれ、測定子３０６の回転変位に応じて回転及び軸の方向に若干移動することができる。よって、制限手段２５０は、押圧部材による測定子３０６への押圧力が多少大きくても、測定子３０６の回転変位を制限することなく測定子３０６の並進変位を制限することができる。

あるいは、図６（Ｂ）に示す第３実施形態の如くであってもよい。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

第３実施形態では、第１実施形態とは異なり、図６（Ｂ）に示す如く、制限手段２６０が、４つの押圧部材２６２を備え、各押圧部材２６２に設けられた当接部材２６６を測定子３０６に当接させる構成とされている。具体的に、制限手段２６０は、測定子３０６の中心に向かって測定子３０６を押圧する４つの押圧部材２６２を備える。押圧部材２６２はそれぞれ、接触部２６６Ａを備える球形状の当接部材２６６と、当接部材２６６を回転可能に支持する支持部材２６４と、を備える。なお、接触部２６６Ａは、当接部材２６６の表面とされている。

このようにして、本実施形態でも、制限手段２６０が簡素な構成でありながら、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。更に、当接部材２６６は、球形状であり、支持部材２６４で当接部材２６６を回転可能に支持している。このため、制限手段２６０は、測定子３０６のいかなる方向への回転変位を制限することなく測定子３０６の並進変位を制限することができる。

あるいは、図７（Ａ）に示す第４実施形態の如くであってもよい。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

第４実施形態では、上記実施形態とは異なり、図７（Ａ）に示す如く、制限手段２７０が、内面が多角形断面の空洞を有する容器状に成形された部材とされている。具体的に、制限手段２７０は、直方体形状であって、上面から正方形状（五角形状や六角形状でもよい）の凹部２７２が設けられている。この凹部２７２の内面が測定子３０６と接触する接触面２７４とされている。

ここで、制限手段２７０を用いた場合の座標補正の手順について、主に図７（Ａ）、図８を用いて、以下に説明する。

まず、制限手段２７０を定盤２１０の測定空間中の所定の位置に固定する。そして、制限手段２７０の凹部２７２に、駆動機構２２０で測定子３０６を移動させる。そして、測定子３０６を接触面２７４の法線方向（方向Ｇ）から接触させるために、測定プローブ３００を移動させて、接触面２７４へ測定子３０６を接近移動させる（図８ステップＳ１２）。そして、測定子３０６を接触面２７４に接触させることで、測定子３０６の並進変位を制限する（図８ステップＳ１４）。この制限した段階であって、プローブ出力Ｐが０の状態（プローブ出力Ｐがノイズレベルの値を示す場合を含む）を基準位置Ｐｂとする（プローブ出力Ｐに対してノイズレベルとの分離をするための閾値を設けることで、基準位置Ｐｂの判断をしてもよいし、接触面２７４と測定子３０６とに導電性の表面を成形して、導通の有無で基準位置Ｐｂの判断をしてもよい）。

次に、この制限状態のまま、駆動機構制御部４０４の駆動制御信号Ｄに従い、駆動機構２２０により測定プローブ３００を方向Ｇに移動させ、所定の変位量となった時点で、方向Ｇとは逆向きの方向Ｂに反転させる。この測定プローブ３００の一連の移動の際に、複数の測定点を設けておき、座標取得部４０６は、基準位置Ｐｂからの測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得する（図８ステップＳ１６）。つまり、本実施形態においても、座標取得部４０６は、プローブ出力Ｐが０となる基準位置Ｐｂで制限手段２７０により測定子３０６を制限した状態において、測定点における基準位置Ｐｂからの測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐとをそれぞれ取得しているといえる。なお、測定子３０６は、測定プローブ３００を方向Ｇ、Ｂに移動させても接触面２７４と一点で接触しているだけなので、回転変位は制限されていない。同時に、測定子３０６と一点接触している接触面２７４上の位置は、測定プローブ３００の方向Ｇ、Ｂへの移動の際には変化しない構成となっている。

次に、測定プローブ３００を方向Ｂにそのまま移動させて、接触面２７４から測定子３０６を離間移動させる（図８ステップＳ１８）。なお、接触面２７４から測定子３０６が離間したかどうかの判断は、上述した基準位置Ｐｂの判断と同様の手法で実現することができる。なお、上記一連の測定プローブ３００の移動は、Ｘｍ方向で行われ、そのＸｍ方向の複数の測定点で測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得している。このときの測定点は、補正行列ＡＡの線形補正要素の数と非線形補正要素の数の合計数以上としてもよいが、上記一連の測定プローブ３００の移動はＸｍ方向以外の所定の方向でも行う（図８ステップＳ２０）。つまり、図８のステップＳ１２からステップＳ１８までを、Ｘｍ方向以外の複数の所定の方向で行い、終了させることで（図８ステップＳ２０でＹｅｓ）、数ｎの測定点において、測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得する。

次に、行列生成部４０８で、補正行列ＡＡを、数ｎの測定点に対する測定プローブ３００の移動量Ｍｎ及びプローブ出力Ｐｎを用いて生成する（図８ステップＳ２２）。

次に、プローブ出力補正部４１０で、補正行列ＡＡを用いて、プローブ出力Ｐを補正し、変換出力ＰＭを得る（図８ステップＳ２４）。そして、形状座標演算部４１２で、測定プローブ３００の移動量Ｍと変換出力ＰＭとを合成することで、形状座標Ｘを演算する。

このようにして、本実施形態でも、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。更に、制限手段２７０は更に簡素な構成で、可動部分がなく、測定子３０６のいかなる方向への回転変位を制限することなく測定子３０６の並進変位を制限することができる。

なお、第４実施形態の制限手段２７０と同様に用いることが可能な制限手段を、図７（Ｂ）に第５実施形態の制限手段として示す。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

第５実施形態では、図７（Ｂ）に示す如く、制限手段２８０が、内面が円形断面の空洞を有する容器状に成形された部材とされている。具体的に、制限手段２８０は、円筒形状であって、上面から半球状の凹部２８２が設けられている。この凹部２８２の内面が測定子３０６と接触する接触面２８４とされている。

このようにして、本実施形態でも、第４実施形態と同様の作用効果を奏することができる。更に、制限手段２８０の接触面２８４は球面となるので、接触面２８４への法線方向を無数に設定できる。このため、補正行列ＡＡを生成するための測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐそれぞれの取得が様々な方向で可能となり、より高精度に補正行列ＡＡを生成することができる。

あるいは、制限手段としては、上記の構成に限定されず、例えば、基準球を１つ以上用いて制限手段を構成してもよい。

また、上記実施形態では、座標取得部４０６が、プローブ出力Ｐが０となる基準位置Ｐｂで制限手段により測定子３０６を制限した状態において、測定点における基準位置Ｐｂからの測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐとをそれぞれ取得していた。言い換えれば、上記実施形態では、測定プローブ３００の移動量Ｍと補正行列ＡＡで補正されたプローブ出力Ｐとが絶対値が等しく符号が反転した値となるように基準位置Ｐｂを採用していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、座標取得部４０６が、制限手段により測定子３０６を制限した状態において、駆動機構２２０により測定プローブ３００を移動させた際に、測定プローブ３００の移動量Ｍ及びプローブ出力Ｐをそれぞれ取得するような構成であれば、どのような構成でもよい。測定プローブ３００の移動量Ｍとプローブ出力Ｐとの対応が明確化されることで、補正行列ＡＡを求めることは可能であるからである。

本発明は、被測定物の三次元形状を測定する三次元測定装置に広く適用することができる。

１００…三次元測定装置
１１０…操作手段
１１１…ジョイスティック
１２０…入力手段
１３０…出力手段
２００…三次元測定装置本体
２１０…定盤
２２０…駆動機構
２２１…ビーム支持体
２２２…ビーム
２２３…コラム
２２４…スピンドル
２２５…Ｘ軸駆動機構
２２６…Ｙ軸駆動機構
２２７…Ｚ軸駆動機構
２２８…Ｘ軸スケールセンサ
２２９…Ｙ軸スケールセンサ
２３０…Ｚ軸スケールセンサ
２４０、２５０、２６０、２７０、２８０…制限手段
２４２Ａ、２４２Ｂ、２６２…押圧部材
２４４Ａ、２４４Ｂ…板状部材
２４６Ａ、２４６Ｂ、２５６Ａ、２５６Ｂ…柱状部
２４６ＡＡ、２４６ＢＡ、２５６ＡＡ、２５６ＢＡ、２６６Ａ…接触部
２４８…ベース部材
２６４…支持部材
２６６…当接部材
２７２、２８２…凹部
２７４、２８４…接触面
３００…測定プローブ
３０２…プローブ本体
３０４…スタイラス
３０６…測定子
３１０…プローブセンサ
３１２…Ｘ軸プローブセンサ
３１４…Ｙ軸プローブセンサ
３１６…Ｚ軸プローブセンサ
４００…処理装置
４０２…指令部
４０４…駆動機構制御部
４０６…座標取得部
４０８…行列生成部
４１０…プローブ出力補正部
４１２…形状座標演算部
４１４…記憶部
５００…モーションコントローラ
６００…ホストコンピュータ
Ａ、ＡＡ…補正行列
Ｂ…離間方向
Ｄ…駆動制御信号
Ｇ…接近方向
Ｈ…押圧部材の対向方向
Ｉ、Ｊ…柱状部の軸の方向
Ｍ、Ｍｎ…移動量
Ｐ、Ｐｎ…プローブ出力
Ｐｂ…基準位置
ＰＭ…変換出力
ＰＸ…頂点
ＲＴ…正四面体
Ｗ…被測定物
Ｘ…形状座標

本願の請求項７に係る発明は、前記制限手段が、前記測定子の中心に向かって該測定子を押圧する４つの押圧部材を備え、該押圧部材がそれぞれ、前記接触部を備える球形状の当接部材と、該当接部材を回転可能に支持する支持部材と、を備えるようにしたものである。

本願の請求項８に係る発明は、被測定物に接触する測定子を有するスタイラスを移動可能に支持し、該測定子の変位に従うプローブ出力を行う測定プローブと、該測定プローブを前記被測定物に対して相対的に移動させる駆動機構と、該プローブ出力と該駆動機構による該測定プローブの移動量とから前記被測定物の形状座標を演算する処理装置と、を備える三次元測定装置の座標補正方法において、前記測定子の並進変位を制限する工程と、前記駆動機構により前記測定プローブを移動させた際に、前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力をそれぞれ取得する工程と、前記測定プローブの移動量に対する前記プローブ出力の線形座標成分及び非線形座標成分を補正する線形補正要素及び非線形補正要素で構成される補正行列を、前記線形補正要素の数と前記非線形補正要素の数の合計数以上取得した前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力を用いて生成する工程と、該補正行列を用いて前記プローブ出力を補正する工程と、を含むようにしたものである。
本願の請求項９に係る発明は、前記測定子の並進変位を制限する工程を、前記プローブ出力が０となる基準位置において行うようにしたものである。
本願の請求項１０に係る発明は、前記測定子の並進変位を制限する工程では、更に、前記測定子の中心を回転中心とする回転変位を制限しないようにしたものである。

Claims

被測定物に接触する測定子を有するスタイラスを移動可能に支持し、該測定子の変位に従うプローブ出力を行う測定プローブと、該測定プローブを前記被測定物に対して相対的に移動させる駆動機構と、該プローブ出力と該駆動機構による該測定プローブの移動量とから前記被測定物の形状座標を演算する処理装置と、を備える三次元測定装置において、
前記測定子の並進変位を制限する制限手段を備え、
前記処理装置は、
前記制限手段により該測定子を制限した状態において、前記駆動機構により前記測定プローブを移動させた際に、前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力をそれぞれ取得する座標取得部と、
該座標取得部の出力に基づいて、前記測定プローブの移動量に対する前記プローブ出力の線形座標成分及び非線形座標成分を補正する線形補正要素及び非線形補正要素で構成される補正行列を生成する行列生成部と、
該補正行列を用いて前記プローブ出力を補正するプローブ出力補正部と、を有し、
前記座標取得部は、前記線形補正要素の数と前記非線形補正要素の数の合計数以上の測定点で前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力をそれぞれ取得することを特徴とする三次元測定装置。
請求項１において、
前記座標取得部は、前記プローブ出力が０となる基準位置で前記制限手段により前記測定子を制限した状態において、前記測定点における前記基準位置からの前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力とをそれぞれ取得することを特徴とする三次元測定装置。
請求項１または２において、
前記制限手段は、更に、前記測定子の中心を回転中心とする回転変位を制限しない構成とされていることを特徴とする三次元測定装置。
請求項３において、
前記制限手段は、前記測定子に内接する正四面体の４つの頂点の位置で該測定子に接触する接触部を備えることを特徴とする三次元測定装置。
請求項４において、
前記制限手段は、
前記測定子を挟んで対向して配設され該測定子を押圧する２つの押圧部材を備え、
該２つの押圧部材の測定子側にはそれぞれ、前記２つの押圧部材の対向する方向と直交する方向に軸を有する平行な２つの柱状部が設けられ、
一方の前記押圧部材における前記柱状部と他方の前記押圧部材における前記柱状部の軸の方向は互いに直交するように設けられ、該柱状部それぞれに、前記接触部が設けられていることを特徴とする三次元測定装置。
請求項５において、
前記柱状部は、円柱状に形成され、軸回りに回転可能とされていることを特徴とする三次元測定装置。
請求項４において、
前記測定子の中心に向かって該測定子を押圧する４つの押圧部材を備え、
該押圧部材はそれぞれ、前記接触部を備える球形状の当接部材と、該当接部材を回転可能に支持する支持部材と、を備えることを特徴とする三次元測定装置。
被測定物に接触する測定子を有するスタイラスを移動可能に支持し、該測定子の変位に従うプローブ出力を行う測定プローブと、該測定プローブを前記被測定物に対して相対的に移動させる駆動機構と、該プローブ出力と該駆動機構による該測定プローブの移動量とから前記被測定物の形状座標を演算する処理装置と、を備える三次元測定装置の座標補正方法において、
前記測定子の並進変位を制限する工程と、
前記駆動機構により前記測定プローブを移動させた際に、前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力をそれぞれ取得する工程と、
前記測定プローブの移動量に対する前記プローブ出力の線形座標成分及び非線形座標成分を補正する線形補正要素及び非線形補正要素で構成される補正行列を、前記線形補正要素の数と前記非線形補正要素の数の合計数以上取得した前記測定プローブの移動量及び前記プローブ出力を用いて生成する工程と、
該補正行列を用いて前記プローブ出力を補正する工程と、
を含むことを特徴とする座標補正方法。